手動(dòng)變速器操縱機(jī)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計(jì)

李紹義 巫紹靈 宋景芬 陳 曦

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院1） 武漢 430072） （上汽通用五菱汽車股份有限公司2） 柳州 545000）

為了降低成本，微型車手動(dòng)機(jī)械式變速器的組成部件采用了相對(duì)較低的加工精度；同步器采用了相對(duì)較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)；換擋拉索選用了回彈能力較差、行程損失相對(duì)較大、傳動(dòng)效率相對(duì)較低的低成本結(jié)構(gòu).由于用戶對(duì)微型車的要求在不斷提高，因此需要在基本不增加成本的前提下，通過(guò)對(duì)變速器操縱機(jī)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計(jì)，達(dá)到顯著提高變速器換擋操縱性能的目的［1］.

1 手動(dòng)變速器換擋操縱機(jī)構(gòu)常見(jiàn)技術(shù)問(wèn)題

1.1 手動(dòng)變速器換擋操縱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

拉索軟軸式換擋操縱機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、布置靈活的諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在各類汽車上得到了廣泛應(yīng)用，尤其是微型汽車.變速器拉索軟軸式換擋操縱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)主要由外部操縱機(jī)構(gòu)、內(nèi)部操縱機(jī)構(gòu)和選／換擋拉索等組成［2］.其中，拉索是外部換擋機(jī)構(gòu)和內(nèi)部換擋機(jī)構(gòu)間力和運(yùn)動(dòng)的傳遞部件.

1.2 檔位清晰度的評(píng)價(jià)指標(biāo)

良好的檔位清晰度代表著良好的選擋品質(zhì)，能使駕駛員準(zhǔn)確地完成換擋操作，有利于提高駕駛的擋位感，在復(fù)雜的路面情況下，使得駕駛員能快速準(zhǔn)確的判斷擋位并進(jìn)行有效的換擋操作［3］.

擋位清晰度的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是選擋行程與擋位對(duì)稱性［4］.

1）選擋行程 選擋行程過(guò)大致使駕駛員操縱不便，選擋行程過(guò)小導(dǎo)致?lián)跷桓杏X(jué)不佳.合適的選擋行程使駕駛員能夠有清晰擋位感.選擋力也應(yīng)適中，選擋力過(guò)大會(huì)造成選擋過(guò)程操縱沉重，選擋力過(guò)小會(huì)影響換擋桿的回位.通過(guò)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，5擋手動(dòng)變速器的換擋力、換擋行程的推薦范圍見(jiàn)表1.

表1 最佳靜態(tài)選、換擋力與行程

2）擋位對(duì)稱性 由評(píng)價(jià)指標(biāo)可知，對(duì)稱的換擋位置是人們所追求的，即L1＝L2＝L3＝L4＝L5＝LR和L12＝R5R，其中L1，L2，L3，L4，L5，LR為相應(yīng)檔位的換檔行程；S12，S5R為相應(yīng)檔位的選擋行程，在靜態(tài)換擋試驗(yàn)中，可以得出本文所研究變速器各個(gè)擋位的數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 各擋位行程 mm

由表2可見(jiàn)，各檔檔位的換擋行程差別不是太大.但選擋行程的差別較大，存在檔位不對(duì)稱的現(xiàn)象.相對(duì)其他變速器而言，1，2擋方向的選擋位移偏小，這反映到駕駛員手上就會(huì)出現(xiàn)擋位不清晰的感覺(jué).

2 換擋性能不佳的現(xiàn)象描述及影響因素分析

2.1 換擋性能不佳的現(xiàn)象描述

對(duì)于本文所選取變速器，換擋不清晰主要表現(xiàn)在變速器退回空擋時(shí)，不能準(zhǔn)確地退到空檔位.以3／4檔為例（見(jiàn)圖1）.空檔位置距離中間位置偏差較遠(yuǎn)，空檔檔位的定位力較低，由3檔退回空檔或由4檔退回空檔的過(guò)程中容易誤掛入4檔或3檔.

圖1 3檔換4檔時(shí)動(dòng)態(tài)曲線

2.2 換擋不清晰的影響因素分析

變速器在退回空擋時(shí)，自鎖球的最佳位置應(yīng)該是自鎖槽中心處，這樣能提高檔位清晰度.

2.2.1 停留狀態(tài)的受力分析

變速器退回空擋時(shí)，撥叉軸運(yùn)動(dòng)的距離能否使得自鎖鋼球到達(dá)空檔自鎖槽中心位置，距中心位置的距離即偏差值的大小，需要做具體的分析和計(jì)算.

以1檔退回空檔為例，將撥叉軸、撥塊和撥叉看成是一個(gè)整體.退回空檔位的過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是自鎖球從初始位置到越過(guò)自鎖槽的位置，第二階段是接合套越過(guò)同步器彈簧的階段.卡死狀態(tài)發(fā)生在第二階段，對(duì)卡死狀態(tài)下?lián)懿孑S總成受到三部分力的作用，即同步器與撥叉之間的力F同，自鎖球的回位力FX，撥頭給撥塊的力，其中撥頭受到換擋手柄換擋力F換和旁側(cè)撥塊的摩擦力f的作用，見(jiàn)圖2.

圖2 撥叉軸卡死狀態(tài)受力分析（撥叉軸向左移動(dòng)）

撥叉軸總成受力分析.

卡死狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力小于或等于阻礙力，即：

設(shè)定目標(biāo)參數(shù)ΔX為卡死狀態(tài)時(shí)，自鎖球球心離空檔位置的軸向距離，F(xiàn)X的表達(dá)式如下.

式中：k1為自鎖彈簧剛度；y0為預(yù)緊壓縮量；R為鋼球半徑；ρ為鋼球密度（7.85g／cm3）；g 為重力加速度（取9.8m／s2）；θ 為自鎖槽傾角（25°）；ΔX為退擋時(shí)與正確位置的偏離值.

在卡死狀態(tài)時(shí)，θ＝25°，另摩擦力f表達(dá)式為

式中：μ2為換擋撥頭與3，4擋撥塊側(cè)壁摩擦系數(shù)（0.1）；F側(cè)為換擋撥頭與3，4擋撥塊側(cè)壁壓力；k2為操縱機(jī)構(gòu)扭簧剛度（17.93N·mm／（°））；ω20為操縱機(jī)構(gòu)扭簧初始角度（43°）；ω2為操縱機(jī)構(gòu)扭簧改變角度（12.56°）；k3為選擋搖臂扭簧剛度（60 N·mm／（°））；ω30為 選 擋 搖 臂 扭 簧 初 始 角 度（57°）；ω3為選擋搖臂扭簧改變角度（6.935°）.

選擋撥頭半徑50mm，操縱機(jī)構(gòu)從動(dòng)圓半徑43.06mm，選擋搖臂半徑78mm.

2.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

將式（2），（3）代入式（1），得到ΔX 表達(dá)式.

ΔX 計(jì)算結(jié)果為3.36mm，和實(shí)際測(cè)量值ΔX實(shí)際＝3.52mm基本吻合，實(shí)際拍攝圖見(jiàn)圖3.

圖3 實(shí)際偏差圖

2.3 具體優(yōu)化方案

基于以上分析可以得到一個(gè)基本的改進(jìn)方案：通過(guò)優(yōu)化傾角θ使得偏移值ΔX盡可能小，從而使得退回空檔位時(shí)自鎖球停留在自鎖槽中央位置.

通過(guò)式（5）可以得到偏移值關(guān)于傾角變化的規(guī)律曲線，見(jiàn)圖4.

圖4 傾角變化對(duì)應(yīng)偏差值的變化規(guī)律曲線

由圖4可知，最優(yōu)傾角稍大于28°，實(shí)際上，考慮到間隙和公差的分配并通過(guò)尺寸鏈的驗(yàn)證計(jì)算，選取28°的傾角值已經(jīng)可以滿足要求，所以將傾角優(yōu)化為28°，張角124°.

改進(jìn)前后的圖形對(duì)比，見(jiàn)圖5.

圖5 改動(dòng)前后的撥叉軸

3 操縱機(jī)構(gòu)整體建模仿真

3.1 簡(jiǎn)化模型

模型見(jiàn)圖6，其中簡(jiǎn)化處有：（1）拉索分為3段，與操縱機(jī)構(gòu)及選換擋連接處用剛性桿連接，中間部分是由15小段連接成的柔性結(jié)構(gòu)；（2）該仿真是為驗(yàn)證模型運(yùn)動(dòng)分析的可靠性，未考慮扭簧對(duì)其影響；（3）未考慮同步器等影響.

3.2 模型約束

仿真模型施加約束如下［5－7］.

1）操縱機(jī)構(gòu) 換擋桿鉚合件大球頭與底座球殼、小球頭與套筒間是球形副，聯(lián)動(dòng)板組件與套筒及底座軸是圓柱副，底座與大地是固定副.

圖6 操縱機(jī)構(gòu)整體仿真模型

2）拉索 拉索前后兩端剛性桿分別與操縱機(jī)構(gòu)及選換擋處連接均是旋轉(zhuǎn)副，兩剛性桿與中間柔性桿連接是球形副.

3）選換擋機(jī)構(gòu) 選擋軸與選擋撥頭、換擋軸與換擋撥頭、各檔軸與其撥塊和撥叉均是布爾操作將其固定，選擋軸與大地是圓柱副，換擋軸與大地是旋轉(zhuǎn)副，3個(gè)撥叉軸與大地是圓柱副，選擋撥頭與換擋撥頭及換擋撥頭與撥塊是接觸約束.

4）驅(qū)動(dòng) 對(duì)選擋桿與大地的圓柱副和換擋桿與大地的旋轉(zhuǎn)副進(jìn)行分時(shí)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行理想換擋.

3.3 空擋自鎖槽開(kāi)口角度的影響

由于自鎖槽形狀復(fù)雜，在ADAMS中結(jié)構(gòu)不易修改，直接將自鎖槽開(kāi)口角度定位為130°及124°的選換擋機(jī)構(gòu)通過(guò)UG導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行仿真（見(jiàn)圖7），仿真分析從空檔位換進(jìn)一檔后又退回到空檔時(shí)，撥叉軸自鎖鋼球軸心距自鎖孔軸線偏移距離.

圖7 空擋自鎖槽開(kāi)口研究仿真模型

對(duì)空檔自鎖槽開(kāi)口角度為124°、自鎖彈簧剛度為5.9N／mm、預(yù)緊壓縮量為8mm時(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真見(jiàn)圖8a），b）.運(yùn)動(dòng)時(shí)間設(shè)置為0.55s，由圖可計(jì)算得撥叉軸端點(diǎn)位移X1＝9.908 5mm，自鎖鋼球位移Y2＝0mm，所以從一檔退到空檔時(shí)，自鎖鋼球軸心距自鎖孔軸線偏移距離ΔX2＝X1－9.5＝0.408 5mm.

對(duì)空檔自鎖槽開(kāi)口角度為130°，自鎖彈簧剛度為5.9N／mm，預(yù)緊壓縮量為8mm時(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真見(jiàn)圖8c），d）.運(yùn)動(dòng)時(shí)間設(shè)置為0.55s，由圖可計(jì)算得撥叉軸端點(diǎn)位移X2＝6.109 9mm，自鎖鋼球位移Y2＝0.240 6mm，所以從1檔退到空檔時(shí)，自鎖鋼球軸心距自鎖孔軸線偏移距離ΔX2＝3.149 5mm.

圖8 空擋槽開(kāi)口仿真分析曲線圖

比較二者發(fā)現(xiàn)，采用該本文所提出的方案后，自鎖槽開(kāi)口減小，自鎖鋼球軸心距自鎖孔軸線偏移距離減小，有利于換擋.當(dāng)自鎖槽開(kāi)口為124°時(shí)，自鎖鋼球軸心距自鎖孔軸線偏移距離很小，僅為0.408 5mm.

根據(jù)該方案試制樣件并裝車進(jìn)行了實(shí)，改進(jìn)之后的變速器3／4檔動(dòng)態(tài)曲線見(jiàn)圖9.

從圖9可以看出，空檔位置與中間位置的距離相比原變速器有了減小，同時(shí)空檔定位力有了加大，這就解決了原變速器存在的檔位不清晰的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)驗(yàn)人員對(duì)改進(jìn)后的變速器進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià).從評(píng)價(jià)的結(jié)果可以明顯看出：空檔定位力適中，空檔檔位清晰度得到了提升.

圖9 優(yōu)化后3檔換4檔動(dòng)態(tài)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

文中結(jié)合手動(dòng)變速器撥叉軸的工作過(guò)程及相關(guān)理論公式，提出了一種通過(guò)優(yōu)化自鎖槽角度的方式來(lái)改善檔位清晰度的方案.通過(guò)該方案可以明顯的提高檔位行程的對(duì)稱性，并對(duì)空檔檔位的定位效果有一定的改善.此外本方案只對(duì)空檔自鎖槽角度進(jìn)行了分析，對(duì)于非空檔檔位槽角度的研究需要進(jìn)一步進(jìn)行加深.

［1］唐 琛.微型汽車手動(dòng)變速器設(shè)計(jì)與優(yōu)化［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

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［3］王 歡.手動(dòng)變速器操縱機(jī)構(gòu)的仿真研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

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